Índice
Introducción y fundamentos
Análisis de gases evolucionados en combinación con espectroscopia infrarroja por transformada de Fourier (EGA-FTIR) es un método establecido para analizar la estabilidad térmica y las emisiones de aditivos en termoplásticos como el polietileno (PE), el polipropileno (PP) y la poliamida (PA). El EGA-FTIR permite detectar productos de degradación y aditivos volátiles, en su mayoría de bajo peso molecular, sobre todo en las primeras fases de un proceso termoplástico, incluso antes de que se produzcan macrodefectos o daños importantes en el material.
Principio funcional del método EGA-FTIR
Principio de medición
En el EGA-FTIR, el polímero que se va a analizar se calienta durante un programa de temperatura controlada. Las sustancias volátiles liberadas (por ejemplo, emisiones de aditivos, productos de escisión, monómeros residuales) se transfieren directamente a una célula de gas del espectrómetro FTIR y se analizan allí (4). Los espectros infrarrojos resultantes permiten la identificación cualitativa y (con calibración) también cuantitativa de las sustancias liberadas, basándose en bandas de absorción características.
Procedimiento
- Calentamiento de la muestra: El material polimérico se calienta en un horno especial de termobalanza (por ejemplo, en modo TGA) en condiciones controladas (aumento de temperatura, atmósfera definida).
- Liberación de compuestos volátiles: Los aditivos, plastificantes, componentes de bajo peso molecular o productos de degradación inicial se evaporan incluso a temperaturas moderadas y se desprenden del horno como gases desprendidos.
- Transferencia al FTIR: Estos gases se transportan de forma continua o por etapas a través de una línea de transferencia a una cubeta de gas del espectrómetro FTIR.
- Análisis IR: En el FTIR, las moléculas se identifican utilizando su banda de absorción infrarroja característica. Cada aditivo o producto de degradación tiene un espectro IR específico (huella dactilar), de modo que incluso las mezclas complejas pueden analizarse cualitativa y -con calibración- cuantitativamente.
Productos de emisión específicos de los termoplásticos
Polietileno (PE)
- Productos principales: Hidrocarburos alifáticos durante la pirólisis, productos gaseosos como etano, eteno, propano, propeno, pentanos y otros compuestos alcanos y alquenos de bajo peso molecular.
- Productos de oxidación: CO, CO₂ durante la oxidación, especialmente en las últimas fases o a temperaturas elevadas.
- Características FTIR: Bandas intensas para las vibraciones de estiramiento C-H de las cadenas alifáticas
- Características especiales: Prácticamente sin compuestos nitrogenados, ya que el PE no contiene grupos nitrogenados
Polipropileno (PP)
- Principales productos: Comparable al PE, pero con mayores emisiones de alquenos como propeno, 2-metilpropeno y diversos derivados de alquenos y alcanos
- Productos de degradación oxidados: Aldehídos, cetonas (especialmente acetaldehído, acetonas) y ácidos carboxílicos (por ejemplo, ácido acético), especialmente durante la degradación oxidativa (2)
- Otros gases: CO, CO₂, H₂ y pequeñas cantidades de hidrógeno
- Características FTIR: Vibraciones de valencia C-H típicas en números de onda ligeramente diferentes de PE debido a las estructuras de los grupos metilo
Poliamida (PA)
- Productos específicos: Amoníaco (NH₃), caprolactama (en PA6), amidas de bajo peso molecular y ciclohexanona incluso a temperaturas moderadas (150-300°C)
- Otras emisiones: Butadieno, alquilamidas y pequeñas cantidades de compuestos alifáticos y aromáticos nitrogenados
- Características FTIR: Especialmente la banda del carbonilo (C=O) en torno a 1712 cm-¹, así como las bandas de absorción de los grupos NH y CO, que distinguen claramente la PA-6 del PE y el PP
Panorama comparativo
| Polymer | Main emission products | Specific molecules | Spectral characteristics |
|---|---|---|---|
| PE | Aliphatic KW, CO, CO₂ | Ethan, ethene, propane, pentane | C–H aliphatic |
| PP | Aliphatic hydrocarbons, aldehydes, CO₂ | Propene, acetaldehyde, acetic acid | C–H + methyl groups |
| PA | Amides, nitrogen compounds | Ammoniak, Caprolactam, Cyclohexanon | NH, C=O bands, aromatic fragments |
Ejemplos de aplicación y resultados de la investigación
Diversos estudios demuestran la eficacia del método EGA-FTIR.Biale et al. demostraron que los perfiles de degradación térmica del polipropileno (PP) y el polietileno (PE) pueden detectarse de forma muy sensible mediante registros EGA. Para el PP, por ejemplo, el método mostró una reducción de la temperatura de inicio de la degradación como resultado del envejecimiento artificial, combinada con cambios en las emisiones de gas (1).
Park et al. pudieron determinar con precisión los tiempos y las temperaturas para la emisión de productos de pirólisis específicos de varios termoplásticos mediante TG-FTIR. En particular, los gases de bajo peso molecular -como aditivos o monómeros- se cuantificaron al principio del programa de temperatura (2).
Cuthbertson et al. describieron la posibilidad de identificar aditivos utilizando espectros FTIR en modo EGA y rastreando su concentración mediante la evolución de la temperatura (3).
Ventajas y ámbitos de aplicación
Ventajas específicas
- Alta sensibilidad para aditivos orgánicos volátiles y semivolátiles
- Detección precoz: todos los aditivos volátiles y semivolátiles se detectan en las primeras fases del proceso de calentamiento, incluso antes de que sean visibles los cambios macroscópicos del sólido
- Identificación específica de emisiones individuales mediante bandas FTIR características
- Puede integrarse en los sistemas de termobalanza existentes (5)
- Amplia gama de aplicaciones: además de los aditivos, también se pueden controlar los monómeros residuales, los disolventes o las modificaciones químicas a través de sus emisiones de gases
Ámbitos de aplicación
- Garantía de calidad de los polímeros brutos
- Estabilidad de los aditivos en el proceso de reciclado
- Desarrollo de fórmulas poco contaminantes
- Análisis de errores en el trabajo diario de laboratorio
- Control de calidad rápido y no destructivo
- Análisis de la causa raíz de los procesos de laboratorio, producción o reciclaje
- Pruebas de materias primas
- Desarrollo de nuevos sistemas aditivos
Conclusión
El método EGA-FTIR es ideal para la supervisión proactiva y el desarrollo de formulaciones de polímeros sostenibles con perfiles de emisión controlados. Estos productos de emisión específicos permiten la identificación temprana y selectiva de termoplásticos y sus aditivos ya en la fase inicial del proceso térmico. Los usuarios de laboratorio y los ingenieros encontrarán en EGA-FTIR un potente paquete para pruebas rutinarias, análisis de fallos y control durante el proceso.
Lista de fuentes
(1) Biale, G. et al. (2021). Estudio sistemático de los productos de degradación del polipropileno y otros polímeros comunes mediante análisis EGA-MS y Py-GC-MS. PMC. https://pmc.ncbi.nlm.nih.gov/articles/PMC8234390/
(2) Park, K.B. et al. (2023). Productos de pirólisis de varios tipos de plásticos mediante TG-FTIR. ScienceDirect. https://www.sciencedirect.com/science/article/abs/pii/S0165237023001274
(3) Cuthbertson, A.A. et al. (2024). Caracterización de las propiedades de los polímeros e identificación de aditivos: Oportunidades con TGA-FTIR. RSC Publishing. https://pubs.rsc.org/en/content/articlehtml/2024/gc/d4gc00659c
(4) Measurlabs (2006). Análisis de gases evolucionados (EGA) | TGA-FTIR & TGA-MS. https://measurlabs.com/methods/evolved-gas-analysis/
(5) Linseis Messgeräte GmbH (2025). Descripción del Análisis de Gases L40 EGA FTIR para termobalanzas. https://www.linseis.com/en/instruments/additional-devices-support/l40-ega-ftir/ct*. https://www.sciencedirect.com/science/article/abs/pii/S0165237023001274
